打开原子的大门-第14章
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氮原子核真的被α粒子打破了！
是不是还可以打破一些别的元素的原子核呢？他们改装了仪器，又做了不少实验。结果发现，用α粒子射击氖、镁、硅、硫、氯、氩和钾，都会打出高速的氢原子核来。
原子核被打破了！在各种元素的原子核里面，都打出了氢原子核。这说明氢原子核是各种元素的原子核的重要组成部分。卢瑟福给氢原子核起了一个专门名字——质子。
α粒子射中氮原子核，放出来质子，那么氮原子核变成什么了呢？α粒子又到哪里去了呢？这些问题，在当时人们还不太清楚。又过了几年才通过科学实验证明：α粒子打到氮原子核里去了，在放出高速质子的同时，氮原子核变成了氧原子核。
这是一件非常了不起的大事。古时候的炼金术士早就想把一种元素转变成另一种元素，希望能点石成金，他们始终没做到。而如今，在卢瑟福的实验室中，第一次实现了这个古老的幻想。
这是第一次实现的人工核反应。
普劳特假说的复活
1919年，卢瑟福打开了原子核，发现核里面有质子，质子就是氢原子核。看来，原子核可能是由质子组成的。
这就使人们想起100多年前的一个假说。这个假说是在1814年由英国的青年医生普劳特提出来的。他认为各种元素的原子都是由不同数目的氢原子组成的，所以各种元素的原子量都应该是氢的原子量的整数倍。也就是说：氢原子才是最基本和最简单的物质。
他的假说发表以后，有的科学家赞成，有的科学家反对。赞成派和反对派为这个问题争论了一个世纪。那时候，人们都相信道尔顿提出的观点：同一元素的原子，质量是完全一样的。当仔细测定了各种元素的原子量后，发现不少元素的原子量并不是氢的原子量的整数倍，例如氯的相对原子质量是35。5，就不是整数。反对派们有实验为根据，宣布普劳特的假说是胡说八道。
到了20世纪，赞成派慢慢地占了上风了。卢瑟福的发现成为他们更有力的证据：许多元素的原子核里都有氢原子核——质子。
但是，有些元素的原子量不是氢的原子量的整数倍，这又怎样解释呢？
就在卢瑟福发现核中有质子的同一年，汤姆逊的助手阿斯顿也作出了新的贡献。他设计了一种新仪器名叫质谱仪。这种仪器可以把不同质量的原子分开，并且分别“称出”它们的质量。他研究了各种元素，结果发现大多数元素都有不同质量的同位素。
更有意思的是，他发现各种元素的同位素的质量，差不多都是质子的质量的整数倍。
阿斯顿的仪器不仅能测定每一种同位素的质量，而且能测出某一种元素中几种同位素含量的百分比。
他发现氯有两种同位素：一种的质量是质子的35倍—— 35 Cl；另一种的质量是质子的37倍—— 37 Cl。他还测出在天然的氯中， 35 Cl占75。4％，而 37 Cl占24。6％。
天然的氯是由两种质量不同的同位素组成的，那么氯原子的平均质量是多少呢？这很容易计算：
35×75。4％＋37×24。6％
———————————＝35。5
100％
也就是说，氯原子的平均质量是氢原子的质量的35。5倍，正好和过去测定的结果一致。
35。5的谜解开了。普劳特的假说又复活了。普劳特是对的，而道尔顿的关于同一元素的原子质量完全一样的观点错了。
但是要承认普劳特的假说是科学真理，也还有一些问题没有解决。
普劳特的假说认为各种元素的原子都是由不同数目的氢原子组成的。
按照普劳特的观点，当然就应当认为各种元素的原子核都是由不同数目的质子组成的。
已经测定了，一个氢原子核——质子带有一个单位阳电荷，一个氦原子核——α粒子带有两个单位阳电荷，一个氧原子核带有8个单位阳电荷。可是，一个氦原子核的质量是质子的4倍，一个氧原子核的质量是质子的16倍。要是认为氦原子核是由4个质子构成的，质量对了，但是电荷的数目不对，少了2个阳电荷。如果认为氧原子核是由8个质子组成的，电荷数目对了，但是质量又少了一半。这个矛盾究竟应当怎样解释呢？
还有一个问题：由于同性电荷相斥，几个带有阳电荷的质子应该是很难结合在一起而形成较重的原子核的。可是在各种化学元素中，除氢之外，其他元素的原子核的质量都比质子大，从大几倍一直到大200多倍。这又怎样解释呢？
这时候，人们想起了1913年居里夫人提出的一个原子核的模型：原子核是由阳电荷和电子组成的。显然，这阳电荷就应该是质子。
原子核的模型
在过去，人们认为构成宇宙间万物的基本砖石是化学元素，是各种原子。而现在，情况变了，人们发现构成宇宙间万物的基本砖石只有两种——质子和电子。各种元素的原子，不过是由这两种基本砖石造成的预制件。把这些预制件以各种形式搭配起来，就可以建成千变万化的物质世界。
用这两种基本砖石是怎样造成预制件的呢？科学家们提出了质子…电子模型：
第一号预制件就是氢，它是由一个质子的核心和绕着质子旋转的一个电子构成的。
第二号预制件是氦，它的核是由四个质子和两个电子组成的。一个质子带有一个单位阳电荷，一个电子带有一个单位阴电荷，在氦原子核中，两个电子的阴电荷中和了两个质子的阳电荷，所以氦原子核显示出来的是两个单位阳电荷。而绕着氦原子核转的电子相应的也正好是两个。
在原子核中，带阴电荷的电子像胶水一样把较多的带阳电荷的质子粘在一起。科学家们非常简单地把一些困难问题都解决了。
为了更清楚地标明各种预制件的情况，人们把第一个预制件用 1 1 H表示，在左上角的1表示原子核的质量数，也就是原子核中的质子的数目，左下角的1表示原子核的阳电荷数，也就是原子序数。
第二个预制件是 4 2 He。这说明氦原子核中有4个质子，带两个阳电荷。当然为了中和多余的阳电荷，核中还应该有2个（4－2＝2）电子。
只要有质子和电子，就能搭配成各种预制件。例如，周期表上第8号元素氧是 16 8 O。显然，它的原子核要用16个质子和8个（16－8＝8）电子组成，而核外的电子是8个。
周期表中第17号元素是氯。阿斯顿发现氯有两种同位素，所以这种元素又分为两种原子：一种影 35 17 Cl，它的原子核是由35个质子和18个（35－17＝18）电子构成的；另一种是 37 17 Cl，它的原子核是由37个质子和20个（37－17＝20）电子构成的。这两种原子外围的电子数都是17。
这一切是多么简单啊！只要用最简单的加减法就能解决问题。
那些天然放射性元素可以看作是一些大型预制件。这些预制件不很牢固，常常会自动掉下一两块东西，就变成另外型号的预制件。
居里夫人发现的镭的符号是 226 88 Ra，它放射出α粒子——也就是氦原子核 4 2 He，结果变成镭射气——氡 222 86 Rn。我们可以写成一个原子核反应方程：
226 88 Ra→ 222 86 Rn＋ 4 2 He
氡还要继续放射出α粒子，反应方程是：
222 86 Rn→ 222 86 Po＋ 4 2 He
你们看，在反应方程的箭头两边，元素符号左上角的数目的和是相等的，226＝222＋4，222＝218＋4；元素符号左下角的数目的和也是相等的，88＝86＋2，86＝84＋2。
很清楚，一种放射性元素放出α粒子以后，它的原子核的质量数就减少4，阳电荷数减少2。结果，这种元素就蜕变为原子序数比它少2的另一种元素。88号元素镭放出α粒子蜕变成86号元素氡，86号元素氧放出α粒子蜕变成84号元素钋。 222 84 Po是钋的一种同位素，最初发现时把它叫做镭A（RaA）。卢瑟福实现人工核反应用的镭C′，也是钋的一种同位素—— 214 84 Po。
放出β射线的情形又怎样呢？这也很简单，β射线就是电子流。由于电子的质量仅仅是质子的1/1836，可以当作零，它的符号可以写成 0 …1 e，通常简写成e … 。
天然的锕是 227 89 Ac，它放出β射线后变成了钍的同位素。也就是：
227 89 Ac→ 227 90 Th＋ 0 …1 e
反应方程式的箭头两边：元素符号左上角的数目的和仍然相等，就是：
227＝227＋0；
左下角数目之和也相等：89＝90－1。
也就是说：一种放射性元素放出β射线后，它的原子核的质量数不变，而原子核带的阳电荷数增加1，结果就蜕变为原子序数增加1的另一种元素。89号元素锕放出β射线以后，就蜕变成90号元素钍。
那么，把α粒子打到一个原子核中去的人工核反应，情况又是怎样呢？比如卢瑟福把α粒子打到氮原子核中去，打出了质子，氮原子核会变成什么呢？按照质子…电子模型，这个人工核反应可以表示为：
4 2 He＋ 14 7 N→ 17 8 O＋ 1 1 H
也就是说，氮原子核变成了氧原子核。
这种原子核的质子…电子模型看来好像很合理，不仅对原子核的质量数和电荷数都解释得很好，而且对天然放射性和人工核反应也解释了。说原子核中有电子，似乎也是有道理的，因为天然放射性元素的确会放射出电子流——β射线。
但是，进一步的研究，终于否定了这种模型。
中子的发现
根据上面所讲的原子核模型预测，卢瑟福的实验中氮原子核被α粒子轰击后放出质子而变成氧原子核。真的是这样吗？还需要作实验证实。
科学家布拉克特用云雾室研究了这个核反应。
云雾室是卢瑟福的老同事威尔逊发明的。这是一个圆盒子，盒子中的空气含有过饱和的水蒸气，当带电粒子穿过盒子里的空气时，沿途就会产生一串离子，而水蒸气就会围绕这串离子结成小水珠，形成一条白色的云雾，因此可以很清楚地显示出带电粒子飞过的径迹。加上磁场以后，从这条白色的云雾的长短、浓淡和弯曲的方向、程度就可以分析出带电粒子的性质。这可以用照相的方法记录下来。
布拉克特使α粒子打进充有氮气的云雾室，然后拍照。他拍了23000张照片，结果只照到了8张人工核反应的照片。这是1925年的事情。在照片上，像扫帚一样的一簇白线是α粒子的径迹，其中有一条中途停止了（说明α粒子打到氮核里去了），然后又分为两个叉，一条细而长的是质子的径迹，另一条短而粗的是生成的氧原子核的径迹。卢瑟福的发现被研究得更清楚了。
新的发现、新的理论、新的方法鼓舞着各国的科学家去作新的实验和新的探索。
德国有个青年科学家叫贝特。他想：为什么α粒子打到核里去只会放出质子呢？难道就不可能放出电子（也就是β射线）和γ射线吗？那些天然放射性元素大都会放出α射线或β射线，并且常常伴有γ射线，但是不放出质子。
他研究了卢瑟福做的实验，注意到卢瑟福是通过观察硫化锌荧光屏是否发生闪光来判断有无核反应发生的。贝特知道，α粒子或质子打在硫化锌上会发出�
